碳化硅纳米线薄膜的制备及其性能研究

【摘要】碳化硅(SiC)具有宽禁带、高硬度、高热导率、高击穿场强、高电子迁移率、强抗氧化性和化学稳定性等优异性能。一维SiC纳米材料除保留其本征性质外，还由于纳米尺寸效应、特定的形貌和内在的特殊晶体结构及缺陷，在力学、电学和光学等方面展现出更多特异性能。SiC纳米线薄膜作为一维SiC纳米材料的宏观体结构，在高温分离过滤膜、光电催化分解水制氢、催化剂载体、高温传感器、纳米复合材料以及新型纳米光电器件等领域具有潜在的应用前景。本文采用碳热还原法，以可膨胀石墨为碳源，金属硅粉或正硅酸乙酯为硅源，分别以石墨纸和氧化铝片为纳米线生长基底，制备了3C-SiC纳米线薄膜；通过X射线衍射仪、场发射扫描电镜、透射电镜等手段表征了产物的物相、形貌及微结构；分析了SiC纳米线薄膜的生长机理；利用傅里叶红外光谱仪、激光拉曼光谱仪、荧光光谱仪等仪器研究了纳米线薄膜的成分及光致发光等性能；并重点研究了纳米线薄膜的电化学、光电催化分解水制氢和光催化降解亚甲基蓝性能。得到主要结论如下：以石墨纸为基底，可膨胀石墨、金属硅粉为原料通过碳热还原法合成了SiC纳米线薄膜。考察了不同反应温度、保温时间和原料比例对纳米线薄膜的形貌与结构的影响规律；1500℃下，C/Si摩尔比为2:1，保温反应6h，得到直径约20nm、长度在几百微米到厘米量级的纳米线构成的薄膜，其厚度约100-200μm。分析了石墨纸基SiC纳米线薄膜的两步气-固生长机理：首先Si和反应体系残余O2反应产生SiO气体，SiO与石墨纸基底的碳反应生成SiC晶核，其次，反应体系中的SiO与CO气固反应生成SiC不断沉积在石墨纸基底的晶核上及纳米线端部，使纳米线沿一维方向生长。研究了石墨纸基SiC纳米线薄膜的电化学性能。采用石墨纸基SiC纳米线薄膜作为电化学工作电极，在0.1MH2SO4电解液溶液和10mVs1扫描电压下，其循环伏安特性曲线显示薄膜电极具备良好的电容性能和可逆性。恒流充放电测试表明，该薄膜电极具有优异的能量储存和快速的离子传输性能，在电流密度0.2Acm2、0.3Acm2、0.5Acm2、2.0Acm2下比电容分别为25.6mFcm2、37mFcm2、28mFcm2、28mFcm2，充放电2000次后电容性能保持稳定。研究了石墨纸基SiC纳米线薄膜光电催化分解水制氢性能。采用石墨纸基SiC纳米线薄膜作为光电极，以0.1MH2SO4溶液作为电解液，在500W的可见光照射下，响应电流最高达2.8mAcm-2，薄膜电极表面出现明显的分解水现象，而暗室里响应电流较低，薄膜表面无分解水现象。随着体系中正向电势增加，响应电流增大，分解水制氢效果变得越明显。采用了反Volmer-Heyrovsky机理阐述该光电催化分解水制氢过程。研究还初步探讨了电解液、基底材料、表面负载Pt粒子对电极光电催化作用的影响。以氧化铝片为基底，可膨胀石墨、正硅酸乙酯为原料，通过溶胶凝胶-碳热还原法在氧化铝基底上制备SiC纳米线薄膜，分析了反应温度、保温时间和原料比例等因素对薄膜生长的影响。1500℃下，C/Si摩尔比为1:1，保温反应6h，所得纳米线直径为20-40nm，薄膜厚度约为80μm。分析了氧化铝基SiC纳米线薄膜的生长机理：干凝胶粉末中SiO2和C直接参与反应生成SiO和CO气体，再以气-固反应模式在氧化铝表面异相形核和生长。研究了薄膜的光催化降解性能，薄膜在可见光下具有良好的光催化降解性能，光照6h后亚甲基蓝的脱色率最大为76%，亚甲基蓝分子在光生空穴以及超氧自由基、活化的羟基自由基等基团作用下氧化分解。
【作者】张炬栋；
【导师】陈建军；
【作者基本信息】浙江理工大学，材料学，2014，硕士
【关键词】碳化硅纳米线；薄膜；碳热还原；生长机理；电化学；光电催化；

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